Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Исследование и разработка способов интенсификации лучистого теплообмена в металлургических печах за счет повышения степени черноты поверхностей теплообмена

Диссертация: Исследование и разработка способов интенсификации лучистого теплообмена в металлургических печах за счет повышения степени черноты поверхностей теплообмена
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Данная работа посвящена повышению степени черноты поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, путем нанесения покрытий. В процессе исследований выполнен анализ влияния степени черноты поверхностей на теплообмен, из которого следует, что повышение степени черноты излучателей и тепловоспринимающих поверхностей интенсифицирует теплообмен излучением прямо пропорционально увеличению их степени… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Анализ влияния степени черноты поверхностей на лучистый теплообмен в тепловых агрегатах
    • 1. 1. Влияние степени черноты поверхности источников тепла на лучистый теплообмен
    • 1. 2. Влияние степени черноты тепловоспринимающих поверхностей на лучистый теплообмен
    • 1. 3. Влияние степени черноты поверхностей — переизлучателей на лучистый теплообмен
    • 1. 4. Выводы, постановка цели и задач исследования
  • 2. Разработка покрытий для интенсификации теплообмена излучением
    • 2. 1. Способы нанесения покрытий на металл
    • 2. 2. Исследование поверхностных радиационных характеристик реальных непрозрачных материалов
    • 2. 3. Анализ погрешностей эксперимента и точности полученных результатов
    • 2. 4. Разработка составов высокотемпературных покрытий с высокой степенью черноты на стальные конструкции
    • 2. 5. Исследование основных эксплуатационных характеристик покрытий
    • 2. 6. Выводы
  • 3. Исследование теплообмена при использовании покрытий на экспериментальных установках
    • 3. 1. Модель трубчатой печи
    • 3. 2. Модель трубчатого радиационного рекуператора
  • 4. Определение эффективности использования покрытий с высокой степенью черноты на тепловоспринимающей поверхности промышленных теплообменников
    • 4. 1. Влияние подогрева воздуха в рекуператорах на работу металлургических печей
    • 4. 2. Оценка возможности использования покрытий для интенсификации теплообмена в рекуператорах
    • 4. 3. Трубчатый металлический радиационный рекуператор
    • 4. 4. Струйный металлический рекуператор
    • 4. 4. Промышленное использование разработанного покрытия на поверхности парогенератора СПГ — 28 солнечной электростанции СЭС

Исследование и разработка способов интенсификации лучистого теплообмена в металлургических печах за счет повышения степени черноты поверхностей теплообмена (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Развитие современной техники характеризуется всемерной интенсификацией процессов, протекающих в различных установках и аппаратах, что влечет за собой необходимость создания качественно новых конструкций с применением материалов, которые подчас должны сочетать в себе разнородные свойства и обладать высокими физико-техническими характеристиками. Это относится и к теплообменным установкам, наиболее распространенными среди которых являются металлургические печи.

Коэффициент полезного действия большинства металлургических печей составляет 0,2 — 0,6. Повысить значение к.п.д. печи можно путем интенсификации теплообмена излучением, который в большинстве металлургических печей является преобладающим, а в некоторых — единственно возможным.

Одним из способов управления лучистым теплообменом в промышленных тепловых агрегатах является направленное изменение радиационных характеристик участвующих в нем поверхностей за счет нанесения на них покрытий. Эти покрытия могут играть, как роль интенсификаторов теплообмена, так и катализаторов процессов восстановления в топливных печах оксидов азота, образующихся при сжигании топлива. В качестве подложки для нанесения покрытий могут использоваться различные огнеупорные материалы или стальные конструкции элементов рабочего пространства тепловых агрегатов.

Данная работа посвящена повышению степени черноты поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене, путем нанесения покрытий. В процессе исследований выполнен анализ влияния степени черноты поверхностей на теплообмен, из которого следует, что повышение степени черноты излучателей и тепловоспринимающих поверхностей интенсифицирует теплообмен излучением прямо пропорционально увеличению их степени черноты. Аналитически, за счет разделения теплового потока от кладки собственным излучением на составляющие по длинам волн полос поглощения и окон прозрачности продуктов горения, удалось количественно оценить влияние степени черноты кладки на тепловой поток к металлу, который при повышении степени черноты кладки увеличивается незначительно. Например, повышение степени черноты внутренней поверхности кладки (X) с 0,5 до 0,9 увеличивает долю лучистого теплового потока только от кладки, достигающую поверхности металла, с 7,3% до 11,9% (степень черноты продуктов горения изменяется от 0,2 до 0,35 при угловых коэффициентах: кладка — нагреваемый материал <�рк.м — 1 и продукты горения — нагреваемый материал (рг.м =1). Если принять во внимание еще и излучение газов на металл и более сложную геометрию системы, то доля излучения продуктов горения после взаимодействия с кладкой в общем тепловом потоке, падающем на металл, будет уменьшаться.

Разработаны составы покрытий с высокой излучательной способностью (степенью черноты) и технология их нанесения на поверхность сталей, исследованы их радиационные и рабочие характеристики и определена эффективность использования для интенсификации теплообмена излучением в тепловых агрегатах.

4.5. Выводы по работе.

1. Впервые аналитически, за счет разделения теплового потока от кладки собственным излучением на составляющие по длинам волн полос поглощения и окон прозрачности продуктов горения, удалось количественно оценить влияние степени черноты кладки на тепловой поток к металлу. При теплообмене между продуктами горения топлива (с учетом селективности их радиационных свойств) и поверхностью нагреваемого тела с участием кладки, ограничивающей рабочее пространство теплового агрегата, повышение степени черноты внутренней поверхности кладки (ек) с 0,5 до 0,9 увеличивает долю лучистого теплового потока только от кладки, достигающую поверхности металла, с 7,3% до 11,9% (при угловых коэффициентах: кладка — нагреваемый материал срк. м — 1 и продукты горениянагреваемый материал <�рг.м = 1). Увеличение относительного теплового потока к металлу при равномерно распределенном режиме теплообмена с учетом теплового потока и от газов (ег = 0,35, <�рк.м = 0,3 и (рг.м = 1) в зависимости от роста ек (sK = 0,5 — 0,9), составит, соответственно, от 1,7% до 2,39%, т. е. гораздо меньше.

2. Предложена и теоретически обоснована интенсификация теплообмена излучением за счет нанесения покрытий с высокой степенью черноты на теплопоглощающие поверхности промышленных теплообменников (радиационные металлические рекуператоры, трубчатые печи, парогенераторы котельных агрегатов). При этом нужно учитывать, что использование покрытий для повышения степени черноты поверхностей — переизлучателей (кладки) дает незначительное увеличение теплового потока, падающего на поверхность нагреваемого тела (металла, труб с теплоносителем и т. п.).

3. На основе известных кремнийорганических (КО — 818, 819) и неорганических (ЭВТ — 24) высокотемпературных защитных эмалей разработаны новые покрытия металлов, отличающиеся высокой степенью черноты в ближней инфракрасной области спектра излучения. Эти покрытия предназначены специально для повышения степени черноты металлических поверхностей теплообмена. Составы покрытий следующие (в % по массе сухой смеси): 1) 70% КО + 30% B4Si- 50% КО + 50% SiC — для применения на поверхности углеродистых и легированных сталей при температурах до 700 °С- 2) 50% ЭВТ + 50% B4Si — для сплавов 40X13 и ХН45Ю (рабочая температура до 1050 °С) — 3) 50% ЭВТ + 50% Со2Оз — для сплавов 20Х23Н18, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9 (рабочая температура до 1050 °С). Разработана технология нанесения перечисленных покрытий на поверхность металлоконструкций.

4. Для определения эффективности применения разработанных покрытий были проведены исследования на экспериментальной лабораторной установке, моделирующей теплообмен излучением в трубчатом радиационном рекуператоре, и на огневом стенде, представляющем собой модель трубчатой печи. На моделях испытывались покрытия на основе кремнийорганической эмали с добавлением 30% B4Si. Результаты исследований показали, что применение покрытия с высокой степенью черноты позволяет увеличить температуру подогрева воздуха в лабораторной установке на 10 — 13%. На огневом стенде за счет нанесения покрытий поглощение тепла теплоносителем (водой) увеличилось на 16,5%.

5. Определение целесообразности применения покрытий на теп-ловоспринимающей поверхности рекуператоров было проведено при помощи вычислительных экспериментов с применением типовых методик расчета рекуператоров. Получены следующие результаты: 1) при увеличении степени черноты тепловоспринимающей стенки струйного рекуператора с 0,6 до 0,8 коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к стенке рекуператора увеличивается на 24,5%, температура подогрева воздуха в рекуператоре увеличивается на 46 К- 2) аналогичное изменение е при расчетах трубчатого радиационного рекуператора ведет к повышению температуры нагреваемого воздуха на 31 К. Сравнение тепловых балансов подогревательной печи сортопрокатного цеха завода «Серп и.

Молот" при увеличении температуры нагрева воздуха в рекуператоре на 50 К (с 400 °C до 450 °С) показывает, что возможно снижение расхода природного газа на 9% (117 м3/ч).

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.Г., Журавлев Ю. А., Рыжков JI.H. Теплообмен излучением: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 432 с.
  2. .Г., Голдштейн B.JI. Интенсификация теплообмена излучением с помощью покрытий. М.: Энергия, 1997. — 250 с.
  3. Alexander I.C. High reflectivity furnace coatings. // Metals and materials. January. 1988. P.25−27.
  4. B.A., Арутюнов B.A., Белоусов B.B. и др. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. М., «МИСиС», 2002.
  5. B.C., Великодный В. А. Влияние радиационных характеристик поверхности на эффективное излучение в различных моделях теплообмена // Промышленная теплотехника. 1986. № 3. С. 81 87.
  6. А.Д., Иванцов Г. П. Теплопередача излучением в огне-технических установках. М.: Энергия, .1970. 400 с.
  7. В. Н., Плетенев Д. В. Основы технологии износостойких и антифрикционных покрытий. М.: Машиностроение, 1968. — 272 с.
  8. Г. В., Эпик А. Н. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-349 с.
  9. Collins L. W. Plasms-deposited Aluminium Oxide Shields Tel-star in Orbit. — Machinery, 1963. V. 69. № 11. P. 80−83.
  10. Г. Я. Технологические процессы электровакуумного производства. М.: Энергия, 1966. — 304 с.
  11. Р. Т. Iodine in Industry. — Machinery Lloyd, 1959. V. 31, № 20A. P. 49−51.
  12. Yaffe M. L. Paint Gives Missiless Thermal Protection.— Aviation Week, 1959. V. 71, № 23. P. 102−105.
  13. Zerlaut G. The Development of S— 13G type thermal control Coatings based on Silicate Treated Zine Oxide. — AJAA paper, 1968, № 68−790. P. l-15.
  14. П. H., Матвеев М. А. Растворимое стекло. М.: Гос-стройиздат, 1956. — 443 с.
  15. P. М., Pezdirtz G. F. Ultraviolet Stability of Some White Thermal Control Coatings Characterized in Vacuum. — AJAA Paper, 1967, № 67−345. P. 1−9.
  16. Sibert M. Inorganic Coating System of Variable Black to-White Composition. — Indust. and Eng. Chem. Prod. Res. Developm., 1963. V. 2. № 3. P. 240−244.
  17. High-temperature Inorganic Coatings. Ed. C. Huminik. Rein-hold Pub-liching Co., N. Y. 1963. 339 p.
  18. Hayes R., Atkinson W. Thermal Emittance of Materials for Spacecraft // Ceramic bul. 1964. V. 43. № 9. P. 616−621.
  19. E. В. Нанесение покрытий способам газопламенного напыления. М.: Машгиз, 1958. — 84 с.
  20. Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. М.: Машиностроение, 1966. — 432 с.
  21. S. С. Aluminium Oxide Coating // Phys. Rev. Letters. 1959. № 3.P. 9−15.
  22. Г. А. Установка для определения степени черноты // Заводская лаборатория. 1963. Т. 29. № 4. С. 490−492.
  23. Thosten М., Hibbs P., Buwalda G. Temperature Control Explorer and Pioneer. — In: Surface Effects of Spacecraft. N. Y., 1960, p. 55−58.
  24. Fan С. Y. e. a. Space Research II, Kallman Bild, Bd. Amsterdam, North. Holland Publishing Co., 1965. P. 951−966.
  25. Ortner M. Recent Developments in Electroforetic Coatings // Plating. 1964. V. 51. № 9. P. 885 889.
  26. Технология эмали и эмалирование металлов / Под ред. В. В. Варгина. М.: Стройиздат, 1965. — 399 с.
  27. А. Эмаль. М.: ГНТИ лит. по черной и цветной металлургии, 1958. — 512 с.
  28. DeCorso S. М., Coit R. L. Measurement of Total Emissivities of Gas Turbine Combustor Materials // Trans. ASME. 1955. V. 77. № 8. P. 1189 -1197.
  29. А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Л.: Химия, 1976. 295 с.
  30. Economos G., Kingery W. D. Metal Ceramic Interactions: II, Metal-Oxide Interfacial Reactions of Elevated Temperatures.— «J. Amer. Ceramic Soc.», 1953, v. 36, № 12, p. 403−409.
  31. К. Осаждение из газовой фазы. М.: Атомиздат. 1970.472 с.
  32. Хрустал ев Б. А. Методы исследования радиационных свойств поверхностей твердых тел .- В сб.: Лучистый теплообмен. Калининград. 1974. С.5−51.
  33. Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир. 1975. 934 с.
  34. .А. Радиационные свойства твердых тел // ИФЖ. 1970. Т. 18. № 4. С. 740−762.
  35. А.А., Ферт А. Р. Исследование степени черноты материалов//ИФЖ. 1967. Т.12. С.610−614.
  36. Э.М., Сесс Р. Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия. 1971. 294 с. с ил.
  37. Е.И. Экспериментальное исследование спектральных радиационных характеристик теплозащитных материалов. Новосибирск. 1978. 36 с. /Препринт ИТФ СО АН СССР № 28−78/.
  38. JI.C., Сотников-Южик Ю.М. Методы определения терморадиационных свойств полимерных покрытий. Минск.: Наука и техника. 1977. 158 с. с ил.
  39. Sanders C.L., Middlton W. The absolute spectral diffuse reflectance of magnesium oxide in the near infrared «JOSA», 1953, v. 43 № 1, p.58.
  40. Neher R., Edwards D.K., Fra infrared reflectometer for Imperfectly diffuse Spicement. Appe. Opt, v.4, 1965, p.775−780.
  41. Wood B.C., Smith A.M., Rolix J.A., Seiber. Spectral Absolute Reflectance of C02 Frosts from 0,5 to 12 m. AIAA Journal, v.8, № 7, 1971, p.1338−1344.
  42. Л.Г., Керженцев В. В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. М.: Изд-во МГУ. 1977. 111с.
  43. А.Н., Никитин В. А. О выборе нормалей и методах градуировки призменных инфракрасных спектрофотометров.// УФН. 1955. т.54. вып.1. с.3−53.
  44. И.И. Новый инфракрасный спектрофотометр НКС-21. // Оп-тико-мех. пром-сть. 1963. № 5. с. 16−24.
  45. Д.М., Кириченко А. П. Определение нормальной отражательной способности в широком интервале температур по индикатрисам отражения // В сб.: Исследования в области высоких температур. М.: Стандартиз. 111 971. вып.110. с.71−97.
  46. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ.ред. А. Е. Шейндлина. М.: Энергия. 1974. 472 с. с ил.
  47. В.В., Ионочкин И. И., Запечников В. Н., Зеньковский А. Г. Исследование спектральных радиационных характеристик огнеупорных материалов компонентов терморадиационных покрытий // Огнеупоры. 1991. № 7. С. 28 — 30.
  48. В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.1 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение. 1978. 728 с. с ил.
  49. Лакокрасочные материалы: Технические требования и контроль качества. Справочное пособие / Сост. М. И. Карякина, Н. В. Майорова, Н.В.Луговкина-М.: Химия. 1983. 336 с. с ил.
  50. С.С., Туманов А. Т. Защитные покрытия металлов при нагреве. Справочное пособие. М.: Машиностроение. 1976. 240 с. с ил.
  51. С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. М.: Машиностроение. 1984. 256 с. с ил.
  52. С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. ~М.: Энергоатомиздат. 1990. 367с. с ил.
  53. В.В., Зеньковский А. Г. Разработка терморадиационных керамических покрытий и исследование их свойств // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. № 6. С. 20−21.
  54. А.И. Защитные лакокрасочные покрытия. Л.: Химия. 1982. 320с.
  55. А.Г., Ионочкин И. И., Чернов В. В. Разработка терморадиационных покрытий с улучшенными экологическими характеристиками // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1997. № 2. С. 73 75.
  56. Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. -М.: Энергия, 1973.- 143 с.
  57. В.А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. М.: Химия, 1977.- 376 с.
  58. В.В., Смирнов В. Г., Плужников А. И., Зеньковский А. Г. Интенсификация теплообмена в трубных печах // Газовая промышленность. 1990. № 10. С.24−27.
  59. .П. Рекуператоры для промышленных печей. М.: Металлургия. 1975. 296 с. с ил.
  60. Д.Д., Попалов В. В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена.-М.: Энергоатомиздат. 1986. 151с.
  61. А.В., Козлов А. И. Способ защиты рекуператора от пережога // Газовая промышленность. 1969. № 6. С.17−18.
  62. И.М., Гордин В. А. Высокотемпературный нагрев воздуха в черной металлургии. М.: Металлургия. 1963. 352с.
  63. Ю.Е. Исследование радиационно-конвективного теплообмена в спиральном рекуператоре.: Дис.канд.техн.наук. М.: 1971. 160с.
  64. А.В., Козлов А. И., Фильковский И. А. Рекуператоры из гладких и ребристых зубчатых труб // Технология автомобилестроения. 1972. № 3. С.19−21.
  65. Л.А. Интенсификация конвективного теплообмена в трубчатых водоподогревателях с помощью внутренних вставок.: Дис.канд.техн.наук. Каунас. 1975. 120с.
  66. А.с. № 1 467 347. (СССР). Трубчатая вертикальная печь / Смирнов В. Г., Зеньковский А. Г., Чернов В. В. и др. // Опубл. в БИ 1989. № 11.
  67. А.с. № 868 270. (СССР). Воздухоподогреватель /Бровкин Л.А., Коротан А. Н. // Опубл. в БИ. 1981. № 36.
  68. А.с. № 890 026. (СССР). Рекуператор / Коротин А. Н., Калязин Ю. В., Бровкин Л. А. и др. // Опубл. в БИ. 1981. № 46.
  69. А.с. № 985 596. (СССР). Рекуператор / коротин А.Н., Калязин Ю. В., Бровкин Л. А. и др. И Опубл. в БИ. 1982. № 48.
  70. А.с. № 1 160 183. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л. А., Коротин А. Н. // Опубл. в БИ. 1985. № 21.
  71. А.с. № 1 268 888. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л. А. Коротин А.Н. И Опубл. в БИ. 1986. № 41.
  72. А.с. № 1 267 113. (СССР). Рекуператор / Коротин А. Н., Бровкин Л. А., Калязин Ю. В. // Опубл. в БИ. 1986. № 40.
  73. А.с. № 1 323 823. (СССР). Рекуператор / Коротин А. Н., Бровкин Л. А., Дмитриева Н. А. И Опубл. в БИ. 1987. № 26.
  74. А.с. № 1 288 450. (СССР). Воздухоподогреватель / Бровкин Л. А., Коротин А. Н., Дмитриева Н. А. и др. // Опубл. в БИ. 1987. № 5.
  75. А.с. № 1 460 541. (СССР). Воздухоподогреватель / Коротин А. Н., Бровкин Л. А., Никишов В. Ф. и др. // Опубл. в БИ. 1989. № 7.
  76. А.с. № 1 733 851. (СССР). Рекуперативный теплообменник / Коротин А. Н., Бровкин JI.A., Дмитриева Н. А. и др. // Опубл. в БИ. 1992. № 18.
  77. А.Н., Дмитриева Н. А., Ерофеев А. В. Интенсификация теплообмена в радиационных рекуператорах. //Тез. докл. Всесоюз.конф. Ш Бенардосовские чтения. —Иваново. 1987. С.36−37.
  78. А.Н., Никишов В. Ф., Дмитриева Н. А. Интенсификация теплообмена в радиационных рекуператорах. // Теория и практика тепловой работы металлургических печей. Тез. докл. Республ. конф. -Днепропетровск. 1988. С. 62.
  79. А.Н., Никишов В. Ф., Дмитриева Н. А. Применение перфорированных ограждений для интенсификации лучистого теплообмена //Торкретирование и повышение стойкости металлургических агрегатов: Тез. докл. 2-ой Всесоюз. конф. Липецк. 1988. С. 91.
  80. Г. А., Сергеев B.C. Радиационные свойства нержавеющей стали Х18Н9Т при нагревании на воздухе// ТВТ. Т.6, № 2. 1968. С. 340 -342.
  81. Материалы и элементы металлургических печей / Лисиенко В. Г., Гущин С. Н., Воронов Г. В. и др. Учебное пособие. Свердловск: Изд-во Уральского университета, 1989. 304 с.
  82. В.В., Аксенов А. В. Интенсификация теплообмена в рекуператорах с помощью нанесения керамических покрытий // Огнеупоры и техническая керамика. 2001. № 9. С. 29 31.
  83. А.Г., Чернов В. В. Высокотемпературные покрытия элементов печей для интенсификации теплообмена // Сталь. 2001. № 11. С. 92−94.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?